Rentgena starojums un tā pielietojums. Īss rentgena starojuma apraksts. Rentgenstaru izmantošana medicīnā
Īss rentgena starojuma apraksts
Rentgenstari ir elektromagnētiskie viļņi (kvantu, fotonu plūsma), kuru enerģija atrodas enerģijas skalā starp ultravioleto starojumu un gamma starojumu (2-1. att.). Rentgenstaru fotonu enerģija ir no 100 eV līdz 250 keV, kas atbilst starojumam ar frekvenci no 3×10 16 Hz līdz 6×10 19 Hz un viļņa garumu 0,005-10 nm. Rentgenstaru un gamma staru elektromagnētiskie spektri lielā mērā pārklājas.
Rīsi. 2-1. Elektromagnētiskā starojuma skala
Galvenā atšķirība starp šiem diviem starojuma veidiem ir veids, kā tie rodas. Rentgenstarus iegūst, piedaloties elektroniem (piemēram, to plūsmas palēnināšanās laikā), bet gamma starus - ar dažu elementu kodolu radioaktīvo sabrukšanu.
Rentgenstari var rasties, palēninot uzlādētu daļiņu plūsmu (tā saukto bremsstrahlung) vai kad notiek augstas enerģijas pārejas atomu elektronu apvalkos (raksturīgs starojums). Medicīniskās ierīces izmanto rentgenstaru lampas, lai radītu rentgena starus (2-2. attēls). To galvenās sastāvdaļas ir katods un masīvs anods. Elektroni, kas izstaro anodu un katodu elektriskā potenciāla atšķirības dēļ, tiek paātrināti, sasniedz anodu, sadursmē ar materiālu, no kura tie tiek palēnināti. Tā rezultātā tiek ražoti bremsstrahlung rentgenstari. Elektronu sadursmes laikā ar anodu notiek arī otrs process - elektroni tiek izsisti no anoda atomu elektronu apvalkiem. Viņu vietas aizņem elektroni no citiem atoma apvalkiem. Šī procesa laikā tiek ģenerēts otra veida rentgena starojums - tā sauktais raksturīgais rentgena starojums, kura spektrs lielā mērā ir atkarīgs no anoda materiāla. Anodi visbiežāk ir izgatavoti no molibdēna vai volframa. Ir īpašas ierīces rentgenstaru fokusēšanai un filtrēšanai, lai uzlabotu iegūtos attēlus.
Rīsi. 2-2. Rentgena lampas ierīces shēma:
Rentgenstaru īpašības, kas nosaka to izmantošanu medicīnā, ir caurlaidība, fluorescējoša un fotoķīmiskā iedarbība. Rentgenstaru iespiešanās spēja un to absorbcija cilvēka ķermeņa audos un mākslīgie materiāli ir svarīgākās īpašības, kas nosaka to izmantošanu radiācijas diagnostikā. Jo īsāks ir viļņa garums, jo lielāka ir rentgenstaru iespiešanās spēja.
Ir "mīkstie" rentgenstari ar zemu enerģiju un starojuma frekvenci (attiecīgi ar lielāko viļņa garumu) un "cietie" rentgenstari ar augstu fotonu enerģiju un starojuma frekvenci, kuriem ir īss viļņa garums. Rentgena starojuma viļņa garums (attiecīgi tā "stingrība" un caurlaidības spēja) ir atkarīgs no rentgena caurulei pievadītā sprieguma lieluma. Jo augstāks ir caurules spriegums, jo lielāks ir elektronu plūsmas ātrums un enerģija, un jo īsāks ir rentgenstaru viļņa garums.
Caur vielu iekļūstoša rentgena starojuma mijiedarbības laikā tajā notiek kvalitatīvas un kvantitatīvas izmaiņas. Rentgenstaru absorbcijas pakāpe audos ir atšķirīga, un to nosaka objektu veidojošo elementu blīvums un atomu svars. Jo lielāks ir vielas, no kuras sastāv pētāmais objekts (orgāns), blīvums un atomsvars, jo vairāk tiek absorbēti rentgena stari. Cilvēka organismā atrodas dažāda blīvuma audi un orgāni (plaušas, kauli, mīkstie audi u.c.), kas izskaidro atšķirīgo rentgenstaru absorbciju. Iekšējo orgānu un struktūru vizualizācijas pamatā ir mākslīga vai dabiska dažādu orgānu un audu rentgenstaru absorbcijas atšķirība.
Lai reģistrētu starojumu, kas izgājis cauri ķermenim, tiek izmantota tā spēja izraisīt noteiktu savienojumu fluorescenci un fotoķīmiski ietekmēt plēvi. Šim nolūkam tiek izmantoti speciāli fluoroskopijas ekrāni un fotofilmas radiogrāfijai. Mūsdienu rentgena aparātos novājinātā starojuma reģistrēšanai izmanto īpašas digitālo elektronisko detektoru sistēmas - digitālos elektroniskos paneļus. Šajā gadījumā rentgena metodes sauc par digitālajām.
Rentgenstaru bioloģiskās ietekmes dēļ ir svarīgi aizsargāt pacientus pārbaudes laikā. Tas ir sasniegts
iespējami īsāks ekspozīcijas laiks, fluoroskopijas aizstāšana ar rentgenogrāfiju, stingri pamatota jonizācijas metožu izmantošana, aizsardzība, pasargājot pacientu un personālu no starojuma iedarbības.
Īss rentgena starojuma apraksts - jēdziens un veidi. Kategorijas "Rentgena starojuma īsie raksturojumi" klasifikācija un pazīmes 2017., 2018. gads.
X-STARU STAROJUMS
neredzams starojums, kas spēj, lai arī dažādās pakāpēs, iekļūt visās vielām. Tas ir elektromagnētiskais starojums, kura viļņa garums ir aptuveni 10-8 cm.Tāpat kā redzamā gaisma, rentgenstari izraisa fotofilmas melnināšanu. Šim īpašumam ir liela nozīme medicīnā, rūpniecībā un zinātniskajā pētniecībā. Izejot cauri pētāmajam objektam un pēc tam nokrītot uz filmas, rentgena starojums uz tā attēlo savu iekšējo struktūru. Tā kā rentgena starojuma caurlaidības spēja dažādiem materiāliem ir atšķirīga, objekta daļas, kas tam ir mazāk caurspīdīgas, fotogrāfijā piešķir gaišākus laukumus nekā tās, caur kurām starojums labi iekļūst. Tādējādi kaulu audi ir mazāk caurspīdīgi rentgena stariem nekā audi, kas veido ādu un iekšējos orgānus. Tāpēc rentgenogrammā kauli tiks norādīti kā gaišāki laukumi un radiācijai caurspīdīgāka lūzuma vieta būs diezgan viegli konstatējama. Rentgena attēlu izmanto arī zobārstniecībā, lai atklātu kariesu un abscesus zobu saknēs, kā arī rūpniecībā, lai atklātu plaisas lējumos, plastmasā un gumijā. Rentgenstarus izmanto ķīmijā, lai analizētu savienojumus un fizikā, lai pētītu kristālu struktūru. Rentgena stars, kas iet cauri ķīmiskam savienojumam, izraisa raksturīgu sekundāro starojumu, kura spektroskopiskā analīze ļauj ķīmiķim noteikt savienojuma sastāvu. Krītot uz kristāliskas vielas, rentgena staru kūlis tiek izkliedēts pa kristāla atomiem, radot skaidru, regulāru plankumu un svītru rakstu uz fotoplates, kas ļauj noteikt kristāla iekšējo struktūru. Rentgenstaru izmantošana vēža ārstēšanā ir balstīta uz faktu, ka tie nogalina vēža šūnas. Tomēr tam var būt arī nevēlama ietekme uz normālām šūnām. Tādēļ, izmantojot rentgena starus, ir jāievēro īpaša piesardzība. Rentgena starojumu atklāja vācu fiziķis V. Rentgens (1845-1923). Viņa vārds ir iemūžināts citos fizikālos terminos, kas saistīti ar šo starojumu: starptautisko jonizējošā starojuma devas vienību sauc par rentgenu; attēlu, kas uzņemts ar rentgena iekārtu, sauc par rentgenogrammu; Radioloģiskās medicīnas jomu, kurā slimību diagnosticēšanai un ārstēšanai izmanto rentgena starus, sauc par radioloģiju. Rentgens atklāja starojumu 1895. gadā, būdams Vircburgas universitātes fizikas profesors. Veicot eksperimentus ar katodstariem (elektronu plūsmas izlādes caurulēs), viņš pamanīja, ka ekrāns, kas atrodas netālu no vakuuma caurules, pārklāts ar kristālisku bārija cianoplatinītu, spilgti spīd, lai gan pati caurule ir pārklāta ar melnu kartonu. Rentgens arī konstatēja, ka viņa atklāto nezināmo staru caurlaidības spēja, ko viņš sauca par rentgena stariem, ir atkarīga no absorbējošā materiāla sastāva. Viņš arī attēloja savas rokas kaulus, novietojot to starp katodstaru izlādes cauruli un ekrānu, kas pārklāts ar bārija cianoplatinītu. Rentgena atklājumam sekoja citu pētnieku eksperimenti, kuri atklāja daudzas jaunas īpašības un iespējas šī starojuma izmantošanai. Lielu ieguldījumu sniedza M. Laue, V. Frīdrihs un P. Knipings, kuri 1912. gadā demonstrēja rentgenstaru difrakciju, kad tie iziet cauri kristālam; W. Coolidge, kurš 1913. gadā izgudroja augsta vakuuma rentgenstaru cauruli ar apsildāmu katodu; G. Moseley, kurš 1913. gadā noteica saistību starp starojuma viļņa garumu un elementa atomskaitli; G. un L. Braggi, kuri 1915. gadā saņēma Nobela prēmiju par rentgenstaru difrakcijas analīzes pamatu izstrādi.
RENTGENA STAROJUMA IEGŪŠANA
Rentgena starojums rodas, kad elektroni, kas pārvietojas lielā ātrumā, mijiedarbojas ar vielu. Kad elektroni saduras ar jebkuras vielas atomiem, tie ātri zaudē savu kinētisko enerģiju. Šajā gadījumā lielākā daļa tiek pārvērsta siltumā, un neliela daļa, parasti mazāka par 1%, tiek pārvērsta rentgena enerģijā. Šī enerģija tiek atbrīvota kvantu veidā - daļiņas, ko sauc par fotoniem, kurām ir enerģija, bet kurām ir nulle miera masa. Rentgenstaru fotoni atšķiras ar savu enerģiju, kas ir apgriezti proporcionāla to viļņa garumam. Parastā rentgenstaru iegūšanas metodē tiek iegūts plašs viļņu garumu diapazons, ko sauc par rentgenstaru spektru. Spektrs satur izteiktas sastāvdaļas, kā parādīts attēlā. 1. Plašu "kontinuumu" sauc par nepārtrauktu spektru jeb balto starojumu. Uz tā uzliktās asās virsotnes sauc par raksturīgām rentgenstaru emisijas līnijām. Lai gan viss spektrs ir elektronu sadursmes ar vielu rezultāts, tā plašās daļas un līniju parādīšanās mehānismi ir atšķirīgi. Viela sastāv no liela skaita atomu, no kuriem katram ir kodols, ko ieskauj elektronu apvalki, un katrs elektrons konkrētā elementa atoma apvalkā aizņem noteiktu diskrētu enerģijas līmeni. Parasti šīs čaulas jeb enerģijas līmeņus apzīmē ar simboliem K, L, M utt, sākot no kodolam vistuvāk esošās čaulas. Kad krītošs pietiekami augstas enerģijas elektrons saduras ar kādu no elektroniem, kas saistīti ar atomu, tas izsit šo elektronu no čaulas. Tukšo vietu aizņem cits elektrons no čaulas, kas atbilst augstākai enerģijai. Šis pēdējais izdala lieko enerģiju, izstarojot rentgena fotonu. Tā kā apvalka elektroniem ir diskrētas enerģijas vērtības, iegūtajiem rentgena fotoniem ir arī diskrēts spektrs. Tas atbilst asiem pīķiem noteiktiem viļņu garumiem, kuru īpašās vērtības ir atkarīgas no mērķa elementa. Raksturīgās līnijas veido K-, L- un M-sērijas atkarībā no tā, no kura apvalka (K, L vai M) elektrons tika noņemts. Sakarību starp rentgenstaru viļņa garumu un atomskaitli sauc par Mozeleja likumu (2. att.).
Ja elektrons saduras ar salīdzinoši smagu kodolu, tad tas palēninās, un tā kinētiskā enerģija tiek atbrīvota aptuveni tādas pašas enerģijas rentgena fotona veidā. Ja tas lidos garām kodolam, tas zaudēs tikai daļu savas enerģijas, bet pārējais tiks pārnests uz citiem atomiem, kas nonāk tā ceļā. Katrs enerģijas zuduma akts noved pie fotona emisijas ar noteiktu enerģiju. Parādās nepārtraukts rentgenstaru spektrs, kura augšējā robeža atbilst ātrākā elektrona enerģijai. Tas ir nepārtraukta spektra veidošanās mehānisms, un maksimālā enerģija (vai minimālais viļņa garums), kas nosaka nepārtrauktā spektra robežu, ir proporcionāls paātrinājuma spriegumam, kas nosaka krītošo elektronu ātrumu. Spektrlīnijas raksturo bombardētā mērķa materiālu, savukārt nepārtraukto spektru nosaka elektronu stara enerģija un tas praktiski nav atkarīgs no mērķa materiāla. Rentgenstarus var iegūt ne tikai ar elektronu bombardēšanu, bet arī apstarojot mērķi ar rentgena stariem no cita avota. Tomēr šajā gadījumā lielākā daļa krītošā staru kūļa enerģijas nonāk raksturīgajā rentgenstaru spektrā, un ļoti neliela daļa no tā iekrīt nepārtrauktajā spektrā. Acīmredzot krītošajam rentgena staram jābūt fotoniem, kuru enerģija ir pietiekama, lai ierosinātu bombardētā elementa raksturīgās līnijas. Lielais enerģijas procentuālais daudzums raksturīgajā spektrā padara šo rentgenstaru ierosināšanas metodi ērtu zinātniskiem pētījumiem.
Rentgena lampas. Lai iegūtu rentgena starojumu elektronu mijiedarbības ar vielu dēļ, ir nepieciešams elektronu avots, līdzekļi to paātrināšanai līdz lieliem ātrumiem un mērķis, kas spēj izturēt elektronu bombardēšanu un radīt rentgena starojumu. nepieciešamo intensitāti. Ierīci, kurai tas viss ir, sauc par rentgena cauruli. Pirmie pētnieki izmantoja "dziļā vakuuma" caurules, piemēram, mūsdienu izlādes caurules. Vakuums tajos nebija īpaši liels. Izlādes caurulēs ir neliels gāzes daudzums, un, kad caurules elektrodiem tiek pielietota liela potenciālu starpība, gāzes atomi pārvēršas pozitīvos un negatīvos jonos. Pozitīvie virzās uz negatīvo elektrodu (katodu) un, uz tā krītot, izsit no tā elektronus, un tie savukārt virzās uz pozitīvo elektrodu (anodu) un, to bombardējot, rada rentgena fotonu plūsmu. . Mūsdienu Coolidge izstrādātajā rentgenstaru caurulē (3. att.) elektronu avots ir līdz augstai temperatūrai uzkarsēts volframa katods. Elektronus paātrina līdz lieliem ātrumiem lielā potenciāla starpība starp anodu (vai antikatodu) un katodu. Tā kā elektroniem jāsasniedz anods bez sadursmes ar atomiem, ir nepieciešams ļoti augsts vakuums, kuram caurulei jābūt labi evakuētai. Tas arī samazina atlikušo gāzes atomu un saistīto sānu strāvu jonizācijas iespējamību.
Elektronus fokusē uz anodu ar īpašas formas elektrodu, kas ieskauj katodu. Šo elektrodu sauc par fokusēšanas elektrodu un kopā ar katodu veido caurules "elektronisko prožektoru". Anodam, kas pakļauts elektronu bombardēšanai, jābūt izgatavotam no ugunsizturīga materiāla, jo lielākā daļa bombardējošo elektronu kinētiskās enerģijas tiek pārvērsta siltumā. Turklāt ir vēlams, lai anods būtu izgatavots no materiāla ar augstu atomskaitli, kopš rentgenstaru iznākums palielinās, palielinoties atomu skaitam. Par anoda materiālu visbiežāk tiek izvēlēts volframs, kura atomskaitlis ir 74. Rentgena lampu dizains var atšķirties atkarībā no pielietojuma apstākļiem un prasībām.
Rentgenstaru noteikšana
Visas rentgenstaru noteikšanas metodes balstās uz to mijiedarbību ar vielu. Detektori var būt divu veidu: tie, kas rada attēlu, un tie, kas nedod attēlu. Pirmie ietver rentgena fluorogrāfijas un fluoroskopijas ierīces, kurās rentgenstaru starojums iziet cauri pētāmajam objektam, un pārraidītais starojums nonāk luminiscējošā ekrānā vai filmā. Attēls parādās tādēļ, ka dažādas pētāmā objekta daļas dažādos veidos absorbē starojumu – atkarībā no vielas biezuma un sastāva. Detektoros ar luminiscējošu ekrānu rentgenstaru enerģija tiek pārvērsta tieši novērojamā attēlā, savukārt radiogrāfijā to fiksē uz jutīgas emulsijas un var novērot tikai pēc filmas attīstīšanas. Otra veida detektori ietver ļoti dažādas ierīces, kurās rentgenstaru enerģija tiek pārvērsta elektriskos signālos, kas raksturo starojuma relatīvo intensitāti. Tajos ietilpst jonizācijas kameras, Geigera skaitītājs, proporcionālais skaitītājs, scintilācijas skaitītājs un daži īpaši detektori, kuru pamatā ir kadmija sulfīds un selenīds. Šobrīd par visefektīvākajiem detektoriem var uzskatīt scintilācijas skaitītājus, kas labi darbojas plašā enerģijas diapazonā.
Skatīt arī DAĻIŅU DETEKTORI . Detektors tiek izvēlēts, ņemot vērā problēmas apstākļus. Piemēram, ja nepieciešams precīzi izmērīt izkliedētā rentgena starojuma intensitāti, tad tiek izmantoti skaitītāji, kas ļauj veikt mērījumus ar procenta daļu precizitāti. Ja nepieciešams reģistrēt daudz difrakcijas staru, tad vēlams izmantot rentgena plēvi, lai gan šajā gadījumā intensitāti ar tādu pašu precizitāti noteikt nav iespējams.
RENTGENA UN GAMMA DEFEKTOKOPIJU
Viens no visizplatītākajiem rentgenstaru lietojumiem rūpniecībā ir materiālu kvalitātes kontrole un defektu noteikšana. Rentgena metode ir nesagraujoša, tāpēc pārbaudāmo materiālu, ja tiek konstatēts, ka tas atbilst noteiktajām prasībām, pēc tam var izmantot paredzētajam mērķim. Gan rentgena, gan gamma defektu noteikšana balstās uz rentgenstaru caurlaidības spēju un tā absorbcijas īpašībām materiālos. Iespiešanās jaudu nosaka rentgena fotonu enerģija, kas ir atkarīga no paātrinājuma sprieguma rentgena caurulē. Tāpēc biezu paraugu un smago metālu, piemēram, zelta un urāna, paraugu izpētei nepieciešams rentgenstaru avots ar lielāku spriegumu, bet plāniem paraugiem pietiek ar zemāku spriegumu. Ļoti lielu lējumu un lielu velmētu izstrādājumu gamma staru defektu noteikšanai tiek izmantoti betatroni un lineārie paātrinātāji, kas paātrina daļiņas līdz 25 MeV un lielākai enerģijai. Rentgenstaru absorbcija materiālā ir atkarīga no absorbētāja biezuma d un absorbcijas koeficienta m, un to nosaka pēc formulas I = I0e-md, kur I ir caur absorbētāju pārraidītā starojuma intensitāte, I0 ir krītošā starojuma intensitāte, un e = 2,718 ir naturālo logaritmu bāze. Noteiktam materiālam pie noteikta rentgenstaru viļņa garuma (vai enerģijas) absorbcijas koeficients ir nemainīgs. Bet rentgenstaru avota starojums nav monohromatisks, bet satur plašu viļņu garumu diapazonu, kā rezultātā absorbcija pie vienāda absorbētāja biezuma ir atkarīga no starojuma viļņa garuma (frekvences). Rentgena starojumu plaši izmanto visās nozarēs, kas saistītas ar metālu apstrādi ar spiedienu. To izmanto arī artilērijas stobru, pārtikas produktu, plastmasas testēšanai, sarežģītu ierīču un sistēmu testēšanai elektroniskajā inženierijā. (Līdzīgiem mērķiem izmanto neitrogrāfiju, kurā rentgenstaru vietā izmanto neitronu starus.) Rentgena starus izmanto arī citiem mērķiem, piemēram, gleznu pārbaudīšanai, lai noteiktu to autentiskumu vai papildu krāsas slāņu noteikšanai virs galvenā slāņa. .
Rentgenstaru DIFRAKCIJA
Rentgenstaru difrakcija sniedz svarīgu informāciju par cietām vielām — to atomu struktūru un kristāla formu —, kā arī par šķidrumiem, amorfiem ķermeņiem un lielām molekulām. Difrakcijas metodi izmanto arī precīzai (ar kļūdu mazāku par 10-5) starpatomu attālumu noteikšanai, spriegumu un defektu noteikšanai un monokristālu orientācijas noteikšanai. Difrakcijas modelis var identificēt nezināmus materiālus, kā arī noteikt piemaisījumu klātbūtni paraugā un noteikt tos. Rentgenstaru difrakcijas metodes nozīmi mūsdienu fizikas attīstībā diez vai var pārvērtēt, jo mūsdienu izpratne par vielas īpašībām galu galā balstās uz datiem par atomu izvietojumu dažādos ķīmiskos savienojumos, par saišu raksturu. starp tiem un strukturālajiem defektiem. Galvenais instruments šīs informācijas iegūšanai ir rentgenstaru difrakcijas metode. Rentgenstaru difrakcijas kristalogrāfija ir būtiska, lai noteiktu sarežģītu lielu molekulu, piemēram, dezoksiribonukleīnskābes (DNS), dzīvo organismu ģenētiskā materiāla, struktūras. Tūlīt pēc rentgena starojuma atklāšanas zinātniskā un medicīniskā interese tika koncentrēta gan uz šī starojuma spēju iekļūt ķermeņos, gan par tā būtību. Eksperimenti ar rentgenstaru difrakciju uz spraugām un difrakcijas režģiem parādīja, ka tas pieder pie elektromagnētiskā starojuma un tā viļņa garums ir 10-8-10-9 cm. Jau agrāk zinātnieki, jo īpaši V. Bārlovs, uzminēja, ka dabisko kristālu regulārā un simetriskā forma ir saistīta ar sakārtotu atomu izvietojumu, kas veido kristālu. Dažos gadījumos Bārlovs spēja pareizi paredzēt kristāla struktūru. Prognozējamo starpatomisko attālumu vērtība bija 10-8 cm Tas, ka starpatomu attālumi izrādījās rentgena viļņa garuma kārtībā, principā ļāva novērot to difrakciju. Rezultātā radās ideja par vienu no svarīgākajiem eksperimentiem fizikas vēsturē. M. Laue organizēja šīs idejas eksperimentālu pārbaudi, ko veica viņa kolēģi V. Frīdrihs un P. Knipings. 1912. gadā viņi trīs publicēja savu darbu par rentgenstaru difrakcijas rezultātiem. Rentgenstaru difrakcijas principi. Lai saprastu rentgenstaru difrakcijas fenomenu, ir jāapsver secībā: pirmkārt, rentgenstaru spektrs, otrkārt, kristāla struktūras raksturs un, treškārt, pati difrakcijas parādība. Kā minēts iepriekš, raksturīgais rentgenstaru starojums sastāv no virknes spektra līniju ar augstu monohromatiskuma pakāpi, ko nosaka anoda materiāls. Ar filtru palīdzību var izvēlēties intensīvāko no tiem. Līdz ar to, atbilstošā veidā izvēloties anoda materiālu, iespējams iegūt gandrīz monohromatiska starojuma avotu ar ļoti precīzi noteiktu viļņa garuma vērtību. Raksturīgā starojuma viļņu garums parasti svārstās no 2,285 hromam līdz 0,558 sudrabam (dažādu elementu vērtības ir zināmas ar sešiem zīmīgiem cipariem). Raksturīgais spektrs tiek uzklāts uz nepārtrauktu "baltu" spektru ar daudz mazāku intensitāti, jo anodā notiek krītošo elektronu palēninājums. Tādējādi no katra anoda var iegūt divu veidu starojumu: raksturīgo un bremsstrahlung, no kuriem katram ir svarīga loma savā veidā. Atomi kristāla struktūrā atrodas vienādos intervālos, veidojot identisku šūnu secību – telpisku režģi. Daži režģi (piemēram, lielākajai daļai parasto metālu) ir diezgan vienkārši, bet citi (piemēram, olbaltumvielu molekulām) ir diezgan sarežģīti. Kristālu struktūru raksturo sekojošais: ja no kāda noteikta vienas šūnas punkta pāriet uz blakus šūnas attiecīgo punktu, tad tiks atrasta tieši tāda pati atomu vide. Un, ja kāds atoms atrodas vienā vai otrā vienas šūnas punktā, tad tas pats atoms atradīsies jebkuras blakus šūnas ekvivalentā punktā. Šis princips ir stingri spēkā nevainojamam, ideāli sakārtotam kristālam. Tomēr daudzi kristāli (piemēram, metāliski cieti šķīdumi) ir zināmā mērā nesakārtoti; kristalogrāfiski līdzvērtīgas vietas var aizņemt dažādi atomi. Šajos gadījumos tiek noteikta nevis katra atoma pozīcija, bet gan tikai atoma pozīcija, kas "statistiski aprēķināta vidēji" lielam daļiņu (vai šūnu) skaitam. Difrakcijas parādība ir aplūkota rakstā OPTIKA, un lasītājs var atsaukties uz šo rakstu, pirms turpināt. Tas parāda, ka, ja viļņi (piemēram, skaņa, gaisma, rentgena stari) iziet cauri nelielai spraugai vai caurumam, tad pēdējo var uzskatīt par sekundāru viļņu avotu, un spraugas vai cauruma attēls sastāv no mainīgas gaismas. un tumšas svītras. Turklāt, ja ir periodiska caurumu vai spraugu struktūra, tad no dažādiem caurumiem nākošo staru pastiprinošo un vājinošo traucējumu rezultātā rodas skaidrs difrakcijas modelis. Rentgenstaru difrakcija ir kolektīva izkliedes parādība, kurā caurumu un izkliedes centru lomu spēlē periodiski izvietoti kristāla struktūras atomi. To attēlu savstarpēja pastiprināšana noteiktos leņķos rada difrakcijas modeli, kas ir līdzīgs tam, kas izrietētu no gaismas difrakcijas uz trīsdimensiju difrakcijas režģa. Izkliede rodas krītošā rentgena starojuma mijiedarbības dēļ ar kristālā esošajiem elektroniem. Sakarā ar to, ka rentgena starojuma viļņa garums ir vienāds ar atoma izmēriem, izkliedētā rentgena starojuma viļņa garums ir tāds pats kā krītošā starojuma viļņa garums. Šis process ir elektronu piespiedu svārstību rezultāts krītošu rentgena staru ietekmē. Apsveriet tagad atomu ar saistītu elektronu mākoni (ap kodolu), uz kura krīt rentgena stari. Elektroni visos virzienos vienlaikus izkliedē incidentu un izstaro savu rentgena starojumu ar tādu pašu viļņa garumu, lai gan ar dažādu intensitāti. Izkliedētā starojuma intensitāte ir saistīta ar elementa atomskaitli, kopš atomskaitlis ir vienāds ar orbitālo elektronu skaitu, kas var piedalīties izkliedē. (Šo intensitātes atkarību no izkliedes elementa atomu skaita un virziena, kurā intensitāte tiek mērīta, raksturo atomu izkliedes koeficients, kam ir ārkārtīgi svarīga loma kristālu struktūras analīzē.) izvēlieties kristāla struktūrā lineāru atomu ķēdi, kas atrodas vienādā attālumā viens no otra, un ņemiet vērā to difrakcijas modeli. Jau tika atzīmēts, ka rentgenstaru spektrs sastāv no nepārtrauktas daļas ("kontinuums") un intensīvāku līniju kopas, kas raksturīga elementam, kas ir anoda materiāls. Pieņemsim, ka mēs izfiltrējām nepārtraukto spektru un ieguvām gandrīz monohromatisku rentgena staru, kas vērsts uz mūsu lineāro atomu ķēdi. Pastiprināšanas nosacījums (pastiprinošie traucējumi) ir izpildīts, ja starpība starp blakus esošo atomu izkliedēto viļņu ceļiem ir viļņa garuma daudzkārtņa. Ja stars krīt leņķī a0 uz atomu līniju, kas atdalīta ar intervāliem a (periods), tad difrakcijas leņķim a ceļa starpība, kas atbilst pastiprinājumam, tiks uzrakstīta kā a(cos a - cosa0) = hl, kur l ir viļņa garums un h ir vesels skaitlis (4. un 5. att.).
Lai šo pieeju attiecinātu arī uz trīsdimensiju kristālu, ir tikai jāizvēlas atomu rindas divos citos kristāla virzienos un jāatrisina šādi iegūtie trīs vienādojumi trīs kristāla asīm ar periodiem a, b un c. Pārējie divi vienādojumi ir
Šie ir trīs pamata Laue vienādojumi rentgenstaru difrakcijai, kur skaitļi h, k un c ir Millera indeksi difrakcijas plaknei.
Skatīt arī KRISTĀLI UN KRISTALOGRĀFIJA. Ņemot vērā jebkuru Laue vienādojumu, piemēram, pirmo, var pamanīt, ka, tā kā a, a0, l ir konstantes un h = 0, 1, 2, ..., tā atrisinājumu var attēlot kā konusu kopu ar kopēja ass a (5. att.). Tas pats attiecas uz virzieniem b un c. Vispārējā trīsdimensiju izkliedes (difrakcijas) gadījumā trim Laue vienādojumiem ir jābūt kopējam atrisinājumam, t.i. jākrustojas trim difrakcijas konusiem, kas atrodas uz katras ass; kopējā krustojuma līnija ir parādīta att. 6. Vienādojumu kopīgs risinājums noved pie Brega-Vulfa likuma:
l = 2(d/n)sinq, kur d ir attālums starp plaknēm ar indeksiem h, k un c (periods), n = 1, 2, ... ir veseli skaitļi (difrakcijas secība), un q ir leņķis ko veido krītošais stars (kā arī difrakcija) ar kristāla plakni, kurā notiek difrakcija. Analizējot Brega-Vulfa likuma vienādojumu monokristālam, kas atrodas monohromatiskā rentgena stara ceļā, varam secināt, ka difrakciju nav viegli novērot, jo l un q ir fiksēti, un sinq DIFRAKCIJAS ANALĪZES METODES
Laue metode. Laue metode izmanto nepārtrauktu "balto" rentgenstaru spektru, kas tiek novirzīts uz stacionāru monokristālu. Konkrētai perioda d vērtībai viļņa garums, kas atbilst Brega-Vulfa nosacījumam, tiek automātiski izvēlēts no visa spektra. Šādi iegūtie Laue raksti ļauj spriest par izkliedēto staru virzieniem un līdz ar to arī par kristāla plakņu orientācijām, kas arī ļauj izdarīt svarīgus secinājumus par kristāla simetriju, orientāciju un klātbūtni. defektiem tajā. Tomēr šajā gadījumā tiek zaudēta informācija par telpisko periodu d. Uz att. 7 parādīts Lauegram piemērs. Rentgena plēve atradās tajā kristāla pusē, kas ir pretēja tai, uz kuru no avota krita rentgena stars.
Debye-Scherrer metode (polikristāliskiem paraugiem). Atšķirībā no iepriekšējās metodes šeit tiek izmantots monohromatiskais starojums (l = const), un leņķis q tiek mainīts. To panāk, izmantojot polikristālisku paraugu, kas sastāv no daudziem maziem nejaušas orientācijas kristalītiem, starp kuriem ir tādi, kas apmierina Braga-Vulfa nosacījumu. Izkliedētie stari veido konusus, kuru ass ir vērsta gar rentgena staru. Attēlveidošanai parasti tiek izmantota šaura rentgena plēves sloksne cilindriskā kasetē, un rentgena stari tiek izplatīti pa diametru caur filmas caurumiem. Šādā veidā iegūtā debjegramma (8. att.) satur precīzu informāciju par periodu d, t.i. par kristāla uzbūvi, bet nedod to informāciju, ko satur Lauegram. Tāpēc abas metodes viena otru papildina. Apskatīsim dažus Debija-Šerrera metodes pielietojumus.
Ķīmisko elementu un savienojumu identifikācija. No Debjegrammas noteiktā leņķa q var aprēķināt noteiktam elementam vai savienojumam raksturīgo starpplakņu attālumu d. Šobrīd ir sastādītas daudzas d vērtību tabulas, kas ļauj identificēt ne tikai vienu vai otru ķīmisko elementu vai savienojumu, bet arī dažādus vienas un tās pašas vielas fāzes stāvokļus, kas ne vienmēr sniedz ķīmisko analīzi. Otrā komponenta saturu aizvietojošajos sakausējumos var arī noteikt ar augstu precizitāti no perioda d atkarības no koncentrācijas.
Stresa analīze. No izmērītās starpplakņu atstatumu starpības dažādiem virzieniem kristālos, zinot materiāla elastības moduli, var ar augstu precizitāti aprēķināt tajā nelielus spriegumus.
Priekšrocību orientācijas pētījumi kristālos. Ja mazie kristalīti polikristāliskā paraugā nav pilnībā nejauši orientēti, tad Debjegrammas gredzeniem būs atšķirīga intensitāte. Izteiktas vēlamās orientācijas klātbūtnē intensitātes maksimumi tiek koncentrēti atsevišķos attēla punktos, kas kļūst līdzīgi viena kristāla attēlam. Piemēram, dziļās aukstās velmēšanas laikā metāla loksne iegūst tekstūru - izteiktu kristalītu orientāciju. Pēc debaygrammas var spriest par materiāla aukstās apstrādes raksturu.
Graudu izmēru izpēte. Ja polikristāla graudu izmērs ir lielāks par 10-3 cm, tad līnijas uz Debyegram sastāvēs no atsevišķiem plankumiem, jo šajā gadījumā kristalītu skaits nav pietiekams, lai aptvertu visu leņķu vērtību diapazonu. q. Ja kristalīta izmērs ir mazāks par 10-5 cm, tad difrakcijas līnijas kļūst platākas. To platums ir apgriezti proporcionāls kristalītu lielumam. Paplašināšanās notiek tā paša iemesla dēļ, ka spraugu skaita samazināšanās samazina difrakcijas režģa izšķirtspēju. Rentgena starojums ļauj noteikt graudu izmērus 10-7-10-6 cm robežās.
Atsevišķu kristālu metodes. Lai difrakcija ar kristālu sniegtu informāciju ne tikai par telpisko periodu, bet arī par katras difrakcijas plakņu kopas orientāciju, tiek izmantotas rotējoša monokristāla metodes. Uz kristāla krīt monohromatisks rentgena stars. Kristāls griežas ap galveno asi, kam Laue vienādojumi ir izpildīti. Šajā gadījumā mainās leņķis q, kas iekļauts Brega-Vulfa formulā. Difrakcijas maksimumi atrodas Laue difrakcijas konusu krustpunktā ar plēves cilindrisko virsmu (9. att.). Rezultāts ir tāda veida difrakcijas modelis, kāds parādīts attēlā. 10. Tomēr sarežģījumi ir iespējami dažādu difrakcijas secību pārklāšanās dēļ vienā punktā. Metodi var būtiski uzlabot, ja vienlaikus ar kristāla rotāciju noteiktā veidā tiek pārvietota arī plēve.
Šķidrumu un gāzu pētījumi. Ir zināms, ka šķidrumiem, gāzēm un amorfiem ķermeņiem nav pareizas kristāla struktūras. Bet arī šeit starp molekulās esošajiem atomiem pastāv ķīmiska saite, kuras dēļ attālums starp tiem paliek gandrīz nemainīgs, lai gan pašas molekulas ir nejauši orientētas telpā. Šādi materiāli arī dod difrakcijas rakstu ar salīdzinoši nelielu izsmērēto maksimumu skaitu. Šāda attēla apstrāde ar modernām metodēm ļauj iegūt informāciju par pat šādu nekristālisku materiālu struktūru.
SPEKTROĶĪMISKĀ X-STARU ANALĪZE
Dažus gadus pēc rentgenstaru atklāšanas Č.Bārkla (1877-1944) atklāja, ka augstas enerģijas rentgenstaru plūsmai iedarbojoties uz vielu, rodas sekundārais fluorescējošais rentgena starojums, kas ir raksturīgs elementam. tiek pētīta. Neilgi pēc tam G. Mozelijs vairākos savos eksperimentos izmērīja primārā raksturīgā rentgena starojuma viļņu garumus, kas iegūti ar dažādu elementu elektronu bombardēšanu, un secināja saistību starp viļņa garumu un atomskaitli. Šie eksperimenti un Brega izgudrojums par rentgenstaru spektrometru lika pamatu spektroķīmiskai rentgenstaru analīzei. Tūlīt tika atzītas rentgenstaru iespējas ķīmiskai analīzei. Spektrogrāfi tika izveidoti ar reģistrāciju uz fotoplates, kurā pētāmais paraugs kalpoja kā rentgenstaru caurules anods. Diemžēl šī metode izrādījās ļoti darbietilpīga, un tāpēc tika izmantota tikai tad, ja parastās ķīmiskās analīzes metodes nebija izmantojamas. Izcils inovatīvu pētījumu piemērs analītiskās rentgenstaru spektroskopijas jomā bija G. Hevesija un D. Kostera jauna elementa – hafnija – atklājums 1923. gadā. Lieljaudas rentgenstaru lampu izstrāde radiogrāfijai un jutīgi detektori radioķīmiskiem mērījumiem Otrā pasaules kara laikā lielā mērā veicināja rentgena spektrogrāfijas straujo izaugsmi nākamajos gados. Šī metode ir kļuvusi plaši izplatīta, pateicoties analīzes ātrumam, ērtībai, nesagraujošajam raksturam un pilnīgas vai daļējas automatizācijas iespējai. To var izmantot visu elementu, kuru atomu skaits ir lielāks par 11 (nātrijs), kvantitatīvās un kvalitatīvās analīzes problēmās. Un, lai gan rentgenstaru spektroķīmisko analīzi parasti izmanto, lai noteiktu svarīgākos komponentus paraugā (no 0,1-100%), dažos gadījumos tā ir piemērota 0,005% un pat zemākām koncentrācijām.
Rentgena spektrometrs. Mūsdienu rentgena spektrometrs sastāv no trim galvenajām sistēmām (11. att.): ierosmes sistēmas, t.i. rentgena caurule ar volframa vai cita ugunsizturīga materiāla anodu un barošanas avotu; analīzes sistēmas, t.i. analizatora kristāls ar diviem vairāku spraugu kolimatoriem, kā arī spektrogoniometrs precīzai regulēšanai; un reģistrācijas sistēmas ar Ģēģera vai proporcionālo vai scintilācijas skaitītāju, kā arī taisngriezi, pastiprinātāju, skaitītājus un diagrammu ierakstītāju vai citu ierakstīšanas ierīci.
Rentgena fluorescējošā analīze. Analizētais paraugs atrodas aizraujošo rentgena staru ceļā. Pārbaudāmā parauga reģionu parasti izolē ar masku ar vajadzīgā diametra atveri, un starojums iet caur kolimatoru, kas veido paralēlu staru kūli. Aiz analizatora kristāla spraugas kolimators izstaro difrakciju detektoram. Parasti maksimālais leņķis q ir ierobežots līdz 80–85°, lai uz analizatora kristāla varētu difraktēt tikai tie rentgenstari, kuru viļņa garums l ir saistīts ar starpplakņu attālumu d ar nevienlīdzību l. Rentgenstaru mikroanalīze. Iepriekš aprakstīto plakano analizatora kristālu spektrometru var pielāgot mikroanalīzei. To panāk, sašaurinot vai nu primāro rentgena staru kūli, vai sekundāro staru kūli, ko izstaro paraugs. Tomēr parauga efektīvā izmēra vai starojuma apertūras samazināšanās noved pie reģistrētā difrakcijas starojuma intensitātes samazināšanās. Šīs metodes uzlabojumu var panākt, izmantojot izliektu kristāla spektrometru, kas ļauj reģistrēt ne tikai kolimatora asij paralēlu starojumu, bet arī diverģenta starojuma konusu. Ar šādu spektrometru var identificēt daļiņas, kas ir mazākas par 25 µm. Vēl lielāks analizējamā parauga lieluma samazinājums panākts R. Kastēna izgudrotajā rentgena elektronu zondes mikroanalizatorā. Šeit parauga raksturīgo rentgenstaru emisiju ierosina ļoti fokusēts elektronu stars, ko pēc tam analizē ar saliektu kristālu spektrometru. Izmantojot šādu ierīci, paraugā ar diametru 1 μm iespējams noteikt vielas daudzumu 10–14 g. Izstrādātas arī instalācijas ar parauga elektronu staru skenēšanu, ar kuru palīdzību iespējams iegūt divdimensiju sadalījuma modeli pa elementa paraugu, kura raksturīgais starojums ir noregulēts uz spektrometru.
MEDICĪNISKĀ X-STARU DIAGNOSTIKA
Rentgenstaru tehnoloģiju attīstība ir ievērojami samazinājusi ekspozīcijas laiku un uzlabojusi attēlu kvalitāti, ļaujot izmeklēt pat mīkstos audus.
Fluorogrāfija.Šī diagnostikas metode sastāv no ēnu attēla fotografēšanas no caurspīdīga ekrāna. Pacients tiek novietots starp rentgenstaru avotu un plakanu fosfora (parasti cēzija jodīda) ekrānu, kas spīd, pakļaujoties rentgena stariem. Dažādas blīvuma pakāpes bioloģiskie audi rada rentgena starojuma ēnas ar dažādu intensitātes pakāpi. Radiologs pārbauda ēnu attēlu uz fluorescējošā ekrāna un veic diagnozi. Agrāk radiologs, lai analizētu attēlu, paļāvās uz redzi. Tagad ir dažādas sistēmas, kas pastiprina attēlu, parāda to televizora ekrānā vai ieraksta datus datora atmiņā.
Radiogrāfija. Rentgena attēla ierakstīšanu tieši uz fotofilmas sauc par radiogrāfiju. Šajā gadījumā pētāmais orgāns atrodas starp rentgena avotu un plēvi, kas uztver informāciju par orgāna stāvokli noteiktā laikā. Atkārtota rentgenogrāfija ļauj spriest par tā tālāko attīstību. Radiogrāfija ļauj ļoti precīzi pārbaudīt kaulu audu integritāti, kas galvenokārt sastāv no kalcija un ir necaurspīdīgi rentgena stariem, kā arī muskuļu audu plīsumus. Ar tā palīdzību, labāk nekā stetoskops vai klausīšanās, tiek analizēts plaušu stāvoklis iekaisuma, tuberkulozes vai šķidruma klātbūtnes gadījumā. Ar rentgenogrāfijas palīdzību tiek noteikts sirds izmērs un forma, kā arī tās izmaiņu dinamika pacientiem, kuri cieš no sirds slimībām.
kontrastvielas. Rentgena stariem caurspīdīgās ķermeņa daļas un atsevišķu orgānu dobumi kļūst redzami, ja tie ir piepildīti ar organismam nekaitīgu kontrastvielu, bet ļauj vizualizēt iekšējo orgānu formu un pārbaudīt to darbību. Pacients vai nu lieto kontrastvielas iekšķīgi (kā, piemēram, bārija sāļus kuņģa-zarnu trakta pētījumos), vai arī tās ievada intravenozi (piemēram, jodu saturošus šķīdumus nieru un urīnceļu pētījumos). Tomēr pēdējos gados šīs metodes ir aizstājušas diagnostikas metodes, kuru pamatā ir radioaktīvo atomu un ultraskaņas izmantošana.
Datortomogrāfija. 70. gados tika izstrādāta jauna rentgendiagnostikas metode, kuras pamatā ir pilnīga ķermeņa vai tā daļu fotogrāfija. Plānu slāņu ("slāņu") attēlus apstrādā dators, un gala attēls tiek parādīts monitora ekrānā. Šo metodi sauc par datortomogrāfiju. To plaši izmanto mūsdienu medicīnā infiltrātu, audzēju un citu smadzeņu darbības traucējumu diagnosticēšanai, kā arī mīksto audu slimību diagnosticēšanai ķermeņa iekšienē. Šis paņēmiens neprasa svešu kontrastvielu ievadīšanu, tāpēc tas ir ātrāks un efektīvāks nekā tradicionālās metodes.
RENTGENA STAROJUMA BIOLOĢISKĀ DARBĪBA
Rentgena starojuma kaitīgo bioloģisko efektu atklāja neilgi pēc tam, kad to atklāja Rentgens. Izrādījās, ka jaunais starojums var izraisīt tādu kā smagu saules apdegumu (eritēmu), ko pavada tomēr dziļāki un paliekošāki ādas bojājumi. Parādās čūlas bieži pārvērtās par vēzi. Daudzos gadījumos nācās amputēt pirkstus vai rokas. Bija arī nāves gadījumi. Ir konstatēts, ka ādas bojājumus var izvairīties, samazinot ekspozīcijas laiku un devu, izmantojot ekranējumu (piemēram, svinu) un tālvadības pultis. Bet pakāpeniski atklājās citas, ilgākas rentgenstaru iedarbības sekas, kuras pēc tam tika apstiprinātas un pētītas ar izmēģinājuma dzīvniekiem. Rentgenstaru, kā arī citu jonizējošā starojuma (piemēram, radioaktīvo materiālu izstarotā gamma starojuma) iedarbības rezultātā ietilpst: 1) īslaicīgas izmaiņas asins sastāvā pēc salīdzinoši nelielas pārmērīgas iedarbības; 2) neatgriezeniskas izmaiņas asins sastāvā (hemolītiskā anēmija) pēc ilgstošas pārmērīgas iedarbības; 3) saslimstības ar vēzi (tai skaitā leikēmijas) pieaugums; 4) ātrāka novecošanās un priekšlaicīga nāve; 5) kataraktas rašanās. Turklāt bioloģiskie eksperimenti ar pelēm, trušiem un mušām (Drosophila) ir parādījuši, ka pat nelielas lielu populāciju sistemātiskas apstarošanas devas mutāciju ātruma palielināšanās dēļ izraisa kaitīgu ģenētisku ietekmi. Lielākā daļa ģenētiķu atzīst šo datu piemērojamību cilvēka ķermenim. Runājot par rentgena starojuma bioloģisko ietekmi uz cilvēka ķermeni, to nosaka starojuma devas līmenis, kā arī tas, kurš konkrētais ķermeņa orgāns tika pakļauts starojumam. Piemēram, asins slimības rodas, apstarojot asinsrades orgānus, galvenokārt kaulu smadzenes, un ģenētiskas sekas - apstarojot dzimumorgānus, kas var izraisīt arī sterilitāti. Zināšanu uzkrāšanās par rentgena starojuma ietekmi uz cilvēka organismu ir novedusi pie nacionālo un starptautisko pieļaujamo starojuma devu standartu izstrādes, kas publicēti dažādās uzziņas publikācijās. Papildus rentgena stariem, ko mērķtiecīgi izmanto cilvēki, ir arī tā sauktais izkliedētais, sānu starojums, kas rodas dažādu iemeslu dēļ, piemēram, izkliedes dēļ svina aizsargekrāna nepilnības dēļ, kas nav pilnībā absorbē šo starojumu. Turklāt daudzas elektriskās ierīces, kas nav paredzētas rentgenstaru radīšanai, tomēr rada rentgena starus kā blakusproduktu. Šādas ierīces ietver elektronu mikroskopus, augstsprieguma taisngriežu lampas (kenotronus), kā arī novecojušu krāsu televizoru kineskopus. Mūsdienu krāsu kineskopu ražošana daudzās valstīs tagad ir valdības kontrolē.
RENTGENA STAROJUMA BĪSTAMI FAKTORI
Rentgenstaru iedarbības veidi un bīstamības pakāpe cilvēkiem ir atkarīgi no starojuma iedarbībai pakļauto cilvēku kontingenta.
Profesionāļi, kas strādā ar rentgena iekārtu.Šajā kategorijā ietilpst radiologi, zobārsti, kā arī zinātniskie un tehniskie darbinieki un personāls, kas apkalpo un izmanto rentgena iekārtas. Tiek veikti efektīvi pasākumi, lai samazinātu radiācijas līmeni, ar kuru viņiem jāsaskaras.
Pacienti.Šeit nav stingru kritēriju, un drošu starojuma līmeni, ko pacienti saņem ārstēšanas laikā, nosaka ārstējošie ārsti. Ārstiem ieteicams pacientus nevajadzīgi nepakļaut rentgena stariem. Īpaša piesardzība jāievēro, izmeklējot grūtnieces un bērnus. Šajā gadījumā tiek veikti īpaši pasākumi.
Kontroles metodes. Tam ir trīs aspekti:
1) atbilstoša aprīkojuma pieejamība, 2) drošības noteikumu izpilde, 3) pareiza aprīkojuma lietošana. Rentgena izmeklēšanā starojumam jāpakļauj tikai vēlamajai vietai, vai tā būtu zobu vai plaušu izmeklēšana. Ņemiet vērā, ka uzreiz pēc rentgena aparāta izslēgšanas pazūd gan primārais, gan sekundārais starojums; nav arī atlikušā starojuma, ko ne vienmēr zina pat tie, kuri ar to ir tieši saistīti savā darbā.
Skatīt arī
ATOMA UZBŪVE;
Radioloģija ir radioloģijas sadaļa, kas pēta šīs slimības izraisīto rentgena starojuma ietekmi uz dzīvnieku un cilvēku organismu, to ārstēšanu un profilaksi, kā arī dažādu patoloģiju diagnostikas metodes, izmantojot rentgena starus (rentgena diagnostika). . Tipisks rentgendiagnostikas aparāts ietver barošanas avotu (transformatorus), augstsprieguma taisngriezi, kas pārvērš elektrotīkla maiņstrāvu līdzstrāvā, vadības paneli, statīvu un rentgena cauruli.
Rentgenstari ir elektromagnētisko svārstību veids, kas veidojas rentgena caurulē paātrinātu elektronu straujas palēninājuma laikā to sadursmes ar anoda vielas atomiem brīdī. Šobrīd vispārpieņemts viedoklis, ka rentgens pēc savas fiziskās būtības ir viens no starojuma enerģijas veidiem, kura spektrā ietilpst arī radioviļņi, infrasarkanie stari, redzamā gaisma, ultravioletie stari un gamma stari. radioaktīvie elementi. Rentgena starojumu var raksturot kā tā mazāko daļiņu - kvantu vai fotonu kopumu.
Rīsi. 1 — mobilā rentgena iekārta:
A - rentgena caurule;
B - barošanas avots;
B - regulējams statīvs.
Rīsi. 2 - rentgena iekārtas vadības panelis (mehāniskais - kreisajā pusē un elektroniskais - labajā pusē): A - panelis ekspozīcijas un cietības regulēšanai;
B - augstsprieguma padeves poga.
Rīsi. 3 ir tipiskas rentgena iekārtas blokshēma 1 - tīkls;
2 - autotransformators;
3 - pakāpju transformators;
4 - rentgena caurule;
5 - anods;
6 - katods;
7 - pazeminošs transformators.
Rentgenstaru ražošanas mehānisms
Rentgenstari veidojas paātrinātu elektronu plūsmas sadursmes brīdī ar anoda materiālu. Kad elektroni mijiedarbojas ar mērķi, 99% to kinētiskās enerģijas tiek pārvērsti siltumenerģijā un tikai 1% - rentgena staros.
Rentgena caurule sastāv no stikla trauka, kurā ir pielodēti 2 elektrodi: katoda un anoda. No stikla cilindra tiek izsūknēts gaiss: elektronu kustība no katoda uz anodu iespējama tikai relatīvā vakuuma apstākļos (10 -7 -10 -8 mm Hg). Uz katoda ir kvēldiegs, kas ir cieši savīts volframa kvēldiegs. Kad kvēldiegam tiek pielietota elektriskā strāva, notiek elektronu emisija, kurā elektroni tiek atdalīti no spirāles un veido elektronu mākoni katoda tuvumā. Šis mākonis ir koncentrēts pie katoda fokusēšanas kausa, kas nosaka elektronu kustības virzienu. Kauss - katoda neliela depresija. Savukārt anodā ir volframa metāla plāksne, uz kuras ir fokusēti elektroni – tā ir rentgenstaru veidošanās vieta.
Rīsi. 4 — rentgenstaru caurules ierīce: A - katods; 
B - anods;
B - volframa kvēldiegs;
G - katoda fokusēšanas kauss;
D - paātrinātu elektronu plūsma;
E - volframa mērķis;
G - stikla kolba;
З - logs no berilija;
Un - veidojas rentgena stari;
K - alumīnija filtrs.
Elektronu caurulei ir pievienoti 2 transformatori: pazeminoši un paaugstinoši. Pazeminošs transformators silda volframa pavedienu ar zemu spriegumu (5–15 volti), kā rezultātā rodas elektronu emisija. Pakāpenisks jeb augstsprieguma transformators iet tieši uz katodu un anodu, kuriem tiek piegādāts 20–140 kilovoltu spriegums. Abi transformatori ir ievietoti rentgena aparāta augstsprieguma blokā, kas ir piepildīts ar transformatoru eļļu, kas nodrošina transformatoru dzesēšanu un to drošu izolāciju.
Pēc tam, kad ar pazeminošā transformatora palīdzību ir izveidojies elektronu mākonis, tiek ieslēgts paaugstināšanas transformators, un abiem elektriskās ķēdes poliem tiek pievadīts augstsprieguma spriegums: pozitīvs impulss anodam un negatīvs. impulsu uz katodu. Negatīvi lādētie elektroni tiek atgrūsti no negatīvi lādēta katoda un tiecas uz pozitīvi lādētu anodu – šādas potenciālu starpības dēļ tiek sasniegts liels kustības ātrums – 100 tūkstoši km/s. Ar šo ātrumu elektroni bombardē volframa anoda plāksni, pabeidzot elektrisko ķēdi, kā rezultātā rodas rentgena stari un siltumenerģija.
Rentgena starojumu iedala bremsstrahlung un raksturīgajā. Bremsstrahlung rodas sakarā ar strauju volframa kvēldiega emitēto elektronu ātruma samazināšanos. Raksturīgs starojums rodas atomu elektronu apvalku pārkārtošanās brīdī. Abi šie veidi veidojas rentgena caurulē paātrinātu elektronu sadursmes brīdī ar anoda materiāla atomiem. Rentgenstaru lampas emisijas spektrs ir starojuma un raksturīgo rentgenstaru superpozīcija.
Rīsi. 5 - bremsstrahlung rentgenstaru veidošanās princips.
Rīsi. 6 - raksturīgā rentgena starojuma veidošanās princips.
Rentgenstaru pamatīpašības
- Rentgenstari ir neredzami vizuālai uztverei.
- Rentgena starojumam ir liels caurlaidības spēks caur dzīva organisma orgāniem un audiem, kā arī blīvām nedzīvas dabas struktūrām, kas nepārlaiž redzamos gaismas starus.
- Rentgenstari izraisa noteiktu ķīmisko savienojumu spīdumu, ko sauc par fluorescenci.
- Cinka un kadmija sulfīdi fluorescē dzelteni zaļā krāsā,
- Kalcija volframāta kristāli - violeti zili.
Elektromagnētisko svārstību skala
Rentgena stariem ir noteikts viļņa garums un svārstību frekvence. Viļņa garums (λ) un svārstību frekvence (ν) ir saistīti ar attiecību: λ ν = c, kur c ir gaismas ātrums, noapaļots līdz 300 000 km sekundē. Rentgenstaru enerģiju nosaka pēc formulas E = h ν, kur h ir Planka konstante, universāla konstante, kas vienāda ar 6,626 10 -34 J⋅s. Staru viļņa garums (λ) ir saistīts ar to enerģiju (E) ar attiecību: λ = 12,4 / E.
Rentgena starojums no citiem elektromagnētisko svārstību veidiem atšķiras ar viļņa garumu (skat. tabulu) un kvantu enerģiju. Jo īsāks viļņa garums, jo augstāka ir tā frekvence, enerģija un iespiešanās jauda. Rentgena viļņa garums ir diapazonā
. Mainot rentgena starojuma viļņa garumu, iespējams kontrolēt tā caurlaidības spēku. Rentgena stariem ir ļoti īss viļņa garums, bet augsta svārstību frekvence, tāpēc tie ir neredzami cilvēka acij. Pateicoties milzīgajai enerģijai, kvantiem ir augsta iespiešanās spēja, kas ir viena no galvenajām īpašībām, kas nodrošina rentgenstaru izmantošanu medicīnā un citās zinātnēs.Rentgena raksturlielumi
Intensitāte- rentgena starojuma kvantitatīvais raksturlielums, ko izsaka ar lampas izstaroto staru skaitu laika vienībā. Rentgenstaru intensitāti mēra miliamperos. Salīdzinot to ar parastās kvēlspuldzes redzamās gaismas intensitāti, mēs varam izdarīt analoģiju: piemēram, 20 vatu lampa spīdēs ar vienu intensitāti jeb jaudu, un 200 vatu lampa spīdēs ar citu, savukārt pašas gaismas kvalitāte (tās spektrs) ir vienāda. Rentgena starojuma intensitāte faktiski ir tā daudzums. Katrs elektrons uz anoda rada vienu vai vairākus starojuma kvantus, tāpēc rentgenstaru daudzums objekta ekspozīcijas laikā tiek regulēts, mainot uz anodu tiecīgo elektronu skaitu un elektronu mijiedarbības skaitu ar volframa mērķa atomiem. , ko var izdarīt divos veidos:
- Mainot katoda spirāles kvēlspuldzes pakāpi, izmantojot pazeminošo transformatoru (emisijas laikā radušos elektronu skaits būs atkarīgs no tā, cik volframa spirāle ir karsta, un starojuma kvantu skaits būs atkarīgs no elektronu skaita);
- Mainot pakāpju transformatora pievadītā augstsprieguma vērtību caurules poliem - katodam un anodam (jo lielāks spriegums tiek pielikts caurules poliem, jo vairāk kinētiskās enerģijas saņem elektroni, kas , pateicoties savai enerģijai, var pēc kārtas mijiedarboties ar vairākiem anoda vielas atomiem - skatīt att. rīsi. 5; elektroni ar zemu enerģiju varēs iesaistīties mazākā mijiedarbībā).
Rentgenstaru intensitāte (anoda strāva), kas reizināta ar aizvara ātrumu (caurules laiku), atbilst rentgenstaru ekspozīcijai, ko mēra mAs (miliamperos sekundē). Ekspozīcija ir parametrs, kas, tāpat kā intensitāte, raksturo rentgenstaru lampas izstaroto staru daudzumu. Vienīgā atšķirība ir tā, ka ekspozīcijā tiek ņemts vērā arī mēģenes darbības laiks (piemēram, ja caurule strādā 0,01 sek, tad staru skaits būs viens, un ja 0,02 sek, tad staru skaits būs atšķirīgs - vēl divas reizes). Radiācijas iedarbību uz rentgena aparāta vadības paneļa iestata radiologs atkarībā no pētījuma veida, pētāmā objekta izmēra un diagnostikas uzdevuma.
Stingrība- rentgena starojuma kvalitatīvais raksturojums. To mēra ar augstu spriegumu uz caurules - kilovoltos. Nosaka rentgenstaru iespiešanās spēju. To regulē augstspriegums, ko rentgenstaru caurulei piegādā paaugstināšanas transformators. Jo lielāka potenciālu starpība tiek radīta uz caurules elektrodiem, jo lielāks spēks elektroniem atgrūž no katoda un steidzas uz anodu, un jo spēcīgāka ir to sadursme ar anodu. Jo spēcīgāka ir to sadursme, jo īsāks ir iegūtā rentgena starojuma viļņa garums un lielāka šī viļņa caurlaidības spēja (jeb starojuma cietība, ko, tāpat kā intensitāti, regulē vadības panelī ar sprieguma parametru uz caurule - kilovoltums).
λ - viļņa garums; 
Rīsi. 7 - Viļņa garuma atkarība no viļņa enerģijas:
E - viļņu enerģija 
Rīsi. 8 - Rentgena lampas sprieguma un iegūtā rentgena starojuma viļņa garuma attiecība:
Rentgena lampu klasifikācija
- Pēc pieraksta
- Diagnostikas
- Terapeitiskā
- Strukturālai analīzei
- Caurgaismošanai
- Pēc dizaina
- Pēc fokusa
- Viens fokuss (viena spirāle uz katoda un viena fokusa vieta uz anoda)
- Bifokāls (divas dažāda izmēra spirāles uz katoda un divi fokusa punkti uz anoda)
- Pēc anoda veida
- Stacionārs (fiksēts)
- Rotējošs
Rentgena starus izmanto ne tikai radiodiagnostikas, bet arī terapeitiskos nolūkos. Kā minēts iepriekš, rentgena starojuma spēja nomākt audzēja šūnu augšanu ļauj to izmantot onkoloģisko slimību staru terapijā. Papildus medicīnas pielietojuma jomai rentgena starojums ir atradis plašu pielietojumu inženierzinātnēs un tehniskajā jomā, materiālzinātnē, kristalogrāfijā, ķīmijā un bioķīmijā: piemēram, ir iespējams identificēt strukturālos defektus dažādos produktos (sliedes, metinātās šuves). uc), izmantojot rentgena starojumu. Šādu pētījumu veidu sauc par defektoskopiju. Un lidostās, dzelzceļa stacijās un citās pārpildītās vietās rentgena televīzijas introskopi tiek aktīvi izmantoti rokas bagāžas un bagāžas skenēšanai drošības nolūkos.
Atkarībā no anoda veida rentgenstaru lampas atšķiras pēc konstrukcijas. Sakarā ar to, ka 99% no elektronu kinētiskās enerģijas tiek pārvērsti siltumenerģijā, caurules darbības laikā anods tiek ievērojami uzkarsēts - jutīgais volframa mērķis bieži izdeg. Anods tiek atdzesēts modernās rentgenstaru lampās, to pagriežot. Rotējošajam anodam ir diska forma, kas vienmērīgi sadala siltumu pa visu virsmu, novēršot volframa mērķa lokālu pārkaršanu.
Rentgena lampu dizains atšķiras arī fokusā. Fokālais punkts - anoda daļa, uz kuras tiek ģenerēts darba rentgena stars. Tas ir sadalīts reālajā fokusa punktā un efektīvajā fokusa punktā ( rīsi. 12). Anoda leņķa dēļ efektīvais fokusa punkts ir mazāks par reālo. Atkarībā no attēla apgabala lieluma tiek izmantoti dažādi fokusa punktu izmēri. Jo lielāks attēla laukums, jo plašākam fokusa punktam jābūt, lai aptvertu visu attēla laukumu. Tomēr mazāks fokusa punkts nodrošina labāku attēla skaidrību. Tāpēc, veidojot mazus attēlus, tiek izmantots īss kvēldiegs un elektroni tiek novirzīti uz nelielu anoda mērķa laukumu, radot mazāku fokusa punktu.
Rīsi. 9 - rentgena caurule ar stacionāru anodu.
Rīsi. 10 - Rentgena caurule ar rotējošu anodu.
Rīsi. 11 - rentgenstaru lampas ierīce ar rotējošu anodu.
Rīsi. 12 ir diagramma par reāla un efektīva fokusa punkta veidošanos.
LEKCIJA
X-STARU STAROJUMS
2. Bremsstrahlung rentgens, tā spektrālās īpašības.
3. Raksturīgs rentgena starojums (pārskatīšanai).
4. Rentgena starojuma mijiedarbība ar vielu.
5. Rentgenstaru izmantošanas fizikālie pamati medicīnā.
Rentgenstarus (X - starus) atklāja K. Rentgens, kurš 1895. gadā kļuva par pirmo Nobela prēmijas laureātu fizikā.
1. Rentgenstaru būtība
rentgena starojums - elektromagnētiskie viļņi ar garumu no 80 līdz 10 -5 nm. Garo viļņu rentgena starojumu bloķē īsviļņu UV starojums, īsviļņu - garo viļņu g starojums.
Rentgena starus ražo rentgenstaru caurulēs. att.1.
K - katods
1 - elektronu stars
2 - rentgena starojums
Rīsi. 1. Rentgena lampas iekārta.
Caurule ir stikla kolba (ar iespējamu augstu vakuumu: spiediens tajā ir aptuveni 10 -6 mm Hg) ar diviem elektrodiem: anodu A un katodu K, kam tiek pielikts augsts spriegums.
U (vairāki tūkstoši voltu). Katods ir elektronu avots (termioniskās emisijas fenomena dēļ). Anods ir metāla stienis ar slīpu virsmu, lai novirzītu iegūto rentgena starojumu leņķī pret caurules asi. Tas ir izgatavots no ļoti siltumvadoša materiāla, lai noņemtu siltumu, kas rodas elektronu bombardēšanas laikā. Uz slīpā gala ir plāksne, kas izgatavota no ugunsizturīga metāla (piemēram, volframa).Anoda spēcīgā karsēšana ir saistīta ar faktu, ka galvenais elektronu skaits katoda starā, nonākot pret anodu, piedzīvo daudzas sadursmes ar vielas atomiem un nodod tiem lielu enerģijas daudzumu.
Augsta sprieguma iedarbībā elektroni, ko izstaro karstā katoda kvēldiegs, tiek paātrināti līdz augstām enerģijām. Elektrona kinētiskā enerģija ir
mv 2 /2. Tas ir vienāds ar enerģiju, ko tā iegūst, pārvietojoties caurules elektrostatiskajā laukā:mv 2 /2 = eU(1)
kur m , e ir elektrona masa un lādiņš, U ir paātrinājuma spriegums.
Procesi, kas noved pie bremsstrahlung rentgenstaru parādīšanās, ir saistīti ar intensīvu elektronu palēninājumu anoda materiālā, ko izraisa atoma kodola un atomu elektronu elektrostatiskais lauks.
Izcelsmes mehānismu var attēlot šādi. Kustīgie elektroni ir sava veida strāva, kas veido savu magnētisko lauku. Elektronu palēninājums ir strāvas stipruma samazināšanās un attiecīgi magnētiskā lauka indukcijas izmaiņas, kas izraisīs mainīga elektriskā lauka parādīšanos, t.i. elektromagnētiskā viļņa izskats.
Tādējādi, kad lādēta daļiņa lido matērijā, tā palēninās, zaudē savu enerģiju un ātrumu un izstaro elektromagnētiskos viļņus.
2. Rentgenstaru starojuma spektrālās īpašības .
Tātad, elektronu palēninājuma gadījumā anoda materiālā, bremsstrahlung starojums.
Bremsstrahlung spektrs ir nepārtraukts . Iemesls tam ir šāds.
Kad elektroni palēninās, katram no tiem ir daļa no enerģijas, kas tiek izmantota anoda sildīšanai (E 1 =
J ), otru daļu, lai izveidotu rentgena fotonu (E 2 = hv ), pretējā gadījumā eU = hv + Q . Attiecības starp šīm daļām ir nejaušas.Tādējādi daudzu elektronu, no kuriem katrs izstaro vienu rentgenstaru kvantu, palēninājuma dēļ veidojas nepārtraukts bremzstralu rentgenstaru spektrs.
hv(h ) ar stingri noteiktu vērtību. Šī kvanta vērtība dažādi dažādiem elektroniem. Rentgenstaru enerģijas plūsmas atkarība no viļņa garuma l , t.i. rentgenstaru spektrs parādīts 2. att. |
2. att. Bremsstrahlung spektrs: a) pie dažādiem spriegumiem
U caurulē; b) dažādās katoda temperatūrās T.Īsviļņu (cietajam) starojumam ir lielāka iespiešanās spēja nekā garo viļņu (mīkstajam) starojumam. Mīksto starojumu viela absorbē spēcīgāk.
No īsiem viļņu garumiem spektrs pēkšņi beidzas pie noteikta viļņa garuma
l m i n . Šāda īsa viļņa garuma pārrāvums rodas, kad elektrona iegūtā enerģija paātrinājuma laukā tiek pilnībā pārvērsta fotonu enerģijā ( Q = 0):eU = hv max = hc/ l min , l min = hc/(eU), (2)
l min (nm) = 1,23 / U kV
Starojuma spektrālais sastāvs ir atkarīgs no rentgena lampas sprieguma, palielinoties spriegumam, vērtība
l m i n pāriet uz īsiem viļņu garumiem (2. att.). a).Kad mainās katoda kvēlspuldzes temperatūra T, palielinās elektronu emisija. Tāpēc strāva palielinās
es mēģenē, bet starojuma spektrālais sastāvs nemainās (2.b att.).Enerģijas plūsma Ф * bremsstrahlung ir tieši proporcionāls sprieguma kvadrātam U starp anodu un katodu, strāvas stiprums es caurulē un atomskaitlī Z anoda materiāli:
F \u003d kZU 2 I. (3)
kur k \u003d 10 -9 W / (V 2 A).
3. Raksturīgi rentgena stari (iepazīšanai).
Rentgena lampas sprieguma palielināšana noved pie tā, ka uz nepārtraukta spektra fona parādās līnija, kas atbilst raksturīgajam rentgena starojumam. Šis starojums ir raksturīgs anoda materiālam.
Tās rašanās mehānisms ir šāds. Pie augsta sprieguma paātrinātie elektroni (ar lielu enerģiju) dziļi iekļūst atomā un izsit elektronus no tā iekšējiem slāņiem. Elektroni no augšējiem līmeņiem pāriet uz brīvām vietām, kā rezultātā tiek emitēti raksturīgā starojuma fotoni.
Raksturīgā rentgena starojuma spektri atšķiras no optiskajiem spektriem.
- Vienveidība.
Raksturīgo spektru viendabīgums ir saistīts ar to, ka dažādu atomu iekšējie elektronu slāņi ir vienādi un atšķiras tikai enerģētiski, pateicoties spēka iedarbībai no kodoliem, kas palielinās, palielinoties elementu skaitam. Tāpēc raksturīgie spektri mainās uz augstākām frekvencēm, palielinoties kodola lādiņam. To eksperimentāli apstiprināja Rentgen darbinieks - Mozelijs, kurš mērīja rentgenstaru pārejas frekvences 33 elementiem. Viņi izstrādāja likumu.
MOSELY LIKUMS – raksturīgā starojuma frekvences kvadrātsakne ir elementa kārtas skaitļa lineāra funkcija:
A × (Z – B ), (4)
kur v ir spektrālās līnijas frekvence, Z ir izstarojošā elementa atomskaitlis. A, B ir konstantes.
Mozeleja likuma nozīmīgums slēpjas apstāklī, ka šo atkarību var izmantot, lai precīzi noteiktu pētāmā elementa atomu skaitu pēc izmērītās rentgena līnijas frekvences. Tam bija liela nozīme elementu izvietošanā periodiskajā tabulā.
– Neatkarība no ķīmiskā savienojuma.
Atomam raksturīgie rentgenstaru spektri nav atkarīgi no ķīmiskā savienojuma, kurā elementa atoms nonāk. Piemēram, skābekļa atoma rentgenstaru spektrs ir vienāds O 2, H 2 O, savukārt šo savienojumu optiskie spektri atšķiras. Šī atoma rentgena spektra iezīme bija nosaukuma pamatā. raksturīgais starojums".
4. Rentgena starojuma mijiedarbība ar vielu
Rentgena starojuma ietekmi uz objektiem nosaka primārie rentgenstaru mijiedarbības procesi. fotons ar elektroniem vielas atomi un molekulas.
Rentgena starojums vielā uzsūcas vai izkliedējas. Šajā gadījumā var notikt dažādi procesi, kurus nosaka rentgenstaru fotonu enerģijas attiecība
hv un jonizācijas enerģija A un (jonizācijas enerģija A un - enerģija, kas nepieciešama iekšējo elektronu noņemšanai no atoma vai molekulas).a) Sakarīga izkliede(garo viļņu starojuma izkliede) notiek, kad attiecības
hv< А и.
Fotoniem, mijiedarbojoties ar elektroniem, mainās tikai kustības virziens (3.a att.), bet enerģija
hv un viļņa garums nemainās (tādēļ šo izkliedi sauc saskaņots). Tā kā fotona un atoma enerģijas nemainās, koherentā izkliede bioloģiskos objektus neietekmē, taču, veidojot aizsardzību pret rentgenstaru starojumu, jārēķinās ar iespēju mainīt stara primāro virzienu.b) fotoelektriskais efekts notiek, kad
hv ³ A un .
Šajā gadījumā var realizēt divus gadījumus.
1. Fotons tiek absorbēts, elektrons atdalās no atoma (3.b att.). Notiek jonizācija. Atdalītais elektrons iegūst kinētisko enerģiju: E k \u003d hv - A un . Ja kinētiskā enerģija ir liela, tad elektrons sadursmes rezultātā var jonizēt blakus esošos atomus, veidojot jaunus. sekundārais elektroni.
2. Fotons tiek absorbēts, bet tā enerģija nav pietiekama, lai atdalītu elektronu, un atoma vai molekulas ierosināšana(3.c att.). Tas bieži noved pie sekojošas fotona emisijas redzamā starojuma reģionā (rentgenstaru luminiscence), bet audos - pie molekulu aktivācijas un fotoķīmisko reakciju. Fotoelektriskais efekts galvenokārt rodas uz atomu iekšējo apvalku elektroniem ar augstu Z.
iekšā) Nesakarīga izkliede(Compton efekts, 1922) rodas, ja fotona enerģija ir daudz lielāka par jonizācijas enerģiju
hv » A un.
Šajā gadījumā elektrons tiek atdalīts no atoma (tādus elektronus sauc atsitiena elektroni), iegūst zināmu kinētisko enerģiju
E uz , paša fotona enerģija samazinās (4.d att.):hv=hv" + A un + E k. (5)
Iegūto starojumu ar mainītu frekvenci (garumu) sauc sekundārais, tas izkliedējas visos virzienos.
Atsitiena elektroni, ja tiem ir pietiekama kinētiskā enerģija, sadursmes rezultātā var jonizēt blakus esošos atomus. Tādējādi nesakarīgas izkliedes rezultātā veidojas sekundārais izkliedētais rentgena starojums un vielas atomi tiek jonizēti.
Šie (a, b, c) procesi var izraisīt vairākus nākamos. Piemēram (3.d attēls), ja fotoelektriskā efekta laikā elektroni atdalās no atoma uz iekšējiem apvalkiem, tad to vietā var pāriet elektroni no augstākiem līmeņiem, ko pavada šīs vielas sekundārais raksturīgais rentgena starojums. Sekundārā starojuma fotoni, mijiedarbojoties ar blakus esošo atomu elektroniem, savukārt var izraisīt sekundāras parādības.
saskaņota izkliede
hv< А И
| |
fotoelektriskais efekts
fotons tiek absorbēts, e - atdalīts no atoma - jonizācija
hv \u003d A un + E uz
atoms A satraukti par fotona absorbciju, R – Rentgena luminiscence
nesakarīga izkliede
hv » A un
hv \u003d hv "+ A un + E uz
sekundārie procesi fotoelektriskajā efektā
 |
Rīsi. 3 Rentgenstaru mijiedarbības mehānismi ar vielu
Rentgenstaru izmantošanas fiziskais pamats medicīnā
Kad rentgenstari nokrīt uz ķermeņa, tas nedaudz atstarojas no tā virsmas, bet galvenokārt iekļūst dziļi iekšā, bet daļēji uzsūcas un izkliedējas un daļēji iziet cauri.
Vājināšanās likums.
Rentgenstaru plūsma vielā tiek novājināta saskaņā ar likumu:
F \u003d F 0 e - m × x (6)
kur m - lineārs vājinājuma koeficients, kas būtībā ir atkarīgs no vielas blīvuma. Tas ir vienāds ar trīs terminu summu, kas atbilst koherentai izkliedei m 1, nesakarīgs m 2 un fotoelektriskais efekts m 3:
m \u003d m 1 + m 2 + m 3. (7)
Katra termina devumu nosaka fotona enerģija. Zemāk ir šo procesu attiecības attiecībā uz mīkstajiem audiem (ūdeni).
Enerģija, keV | fotoelektriskais efekts | Compton - efekts |
| 100 % |
Izbaudi masas vājināšanās koeficients, kas nav atkarīgs no vielas blīvuma r :
m m = m / r . (astoņi)
Masas vājināšanās koeficients ir atkarīgs no fotona enerģijas un absorbējošās vielas atomu skaita:
m m = k l 3 Z 3 . (deviņi)
Kaulu un mīksto audu (ūdens) masas vājināšanās koeficienti atšķiras: m m kaulu / m m ūdens = 68.
Ja rentgenstaru ceļā novieto nehomogēnu ķermeni un tam priekšā fluorescējošu ekrānu, tad šis ķermenis, absorbējot un vājinot starojumu, veido ēnu uz ekrāna. Pēc šīs ēnas rakstura var spriest par ķermeņu formu, blīvumu, struktūru un daudzos gadījumos arī par dabu. Tie. ievērojama atšķirība rentgena starojuma absorbcijā dažādos audos ļauj redzēt iekšējo orgānu attēlu ēnu projekcijā.
Ja pētāmais orgāns un apkārtējie audi vienādi vājina rentgena starus, tad tiek izmantotas kontrastvielas. Tā, piemēram, piepildot kuņģi un zarnas ar mīkstu bārija sulfāta masu ( BaS 0 4), var redzēt to ēnu attēlu (vājinājuma koeficientu attiecība ir 354).
Izmantošana medicīnā.
Medicīnā rentgenstaru ar fotonu enerģiju no 60 līdz 100-120 keV izmanto diagnostikai un 150-200 keV terapijai.
Rentgena diagnostika – Slimību atpazīšana, izgaismojot ķermeni ar rentgena stariem.
Rentgena diagnostika tiek izmantota dažādās opcijās, kuras ir norādītas tālāk.
 |
1. Ar fluoroskopiju rentgena caurule atrodas aiz pacienta. Tā priekšā ir dienasgaismas ekrāns. Ekrānā ir ēnas (pozitīvs) attēls. Katrā atsevišķā gadījumā tiek izvēlēta atbilstošā starojuma cietība, lai tas izietu cauri mīkstajiem audiem, bet pietiekami absorbētu blīvos. Pretējā gadījumā tiek iegūta viendabīga ēna. Uz ekrāna sirds, ribas ir redzamas tumšas, plaušas ir gaišas.
2. Kad radiogrāfija objekts tiek novietots uz kasetes, kurā ir filma ar īpašu fotoemulsiju. Rentgena caurule tiek novietota virs objekta. Iegūtā rentgenogrāfija dod negatīvu attēlu, t.i. pretstatā attēlam, kas novērots caurspīdēšanas laikā. Izmantojot šo metodi, attēlam ir lielāka skaidrība nekā (1), tāpēc tiek novērotas detaļas, kuras ir grūti saskatīt, kad tās tiek izgaismotas.
Daudzsološs šīs metodes variants ir rentgena starojums tomogrāfija un "mašīnas versija" - dators tomogrāfija.
3. Ar fluoroskopiju, Jutīgai maza formāta filmai attēls no lielā ekrāna ir fiksēts. Apskatot bildes tiek apskatītas uz speciāla palielinātāja.
Rentgena terapija - rentgenstaru izmantošana ļaundabīgo audzēju iznīcināšanai.
Radiācijas bioloģiskā iedarbība ir dzīvībai svarīgo aktivitāšu, īpaši strauji vairojošo šūnu, izjaukšana.
DATORTOMOGRĀFIJA (CT)
Rentgena datortomogrāfijas metode ir balstīta uz attēla rekonstrukcijunoteiktas pacienta ķermeņa daļas, reģistrējot lielu skaitu šīs sadaļas rentgena projekciju, kas izgatavotas dažādos leņķos. Informācija no sensoriem, kas reģistrē šīs projekcijas, nonāk datorā, kas saskaņā ar īpašu programmu aprēķina izplatīšana cieši parauga lielumsizmeklētajā sadaļā un parāda to displeja ekrānā. Iegūtais attēlspacienta ķermeņa sadaļai ir raksturīga lieliska skaidrība un augsts informācijas saturs. Programma ļauj jumspalielināt attēla kontrasts iekšā desmitiem un pat simtiem reižu. Tas paplašina metodes diagnostikas iespējas.
Videogrāfi (ierīces ar digitālo rentgena attēlu apstrādi) mūsdienu zobārstniecībā.
Zobārstniecībā rentgena izmeklēšana ir galvenā diagnostikas metode. Taču vairākas tradicionālās rentgendiagnostikas organizatoriskās un tehniskās īpatnības padara to ne visai ērtu gan pacientam, gan zobārstniecības klīnikām. Tā, pirmkārt, ir nepieciešamība pacientam nonākt saskarē ar jonizējošo starojumu, kas nereti rada būtisku radiācijas slodzi uz organismu, tā ir arī nepieciešamība pēc fotoprocesa un līdz ar to nepieciešamība pēc fotoreaģentiem, t.sk. toksiskās. Visbeidzot, tas ir apjomīgs arhīvs, smagas mapes un aploksnes ar rentgena filmām.
Turklāt pašreizējais zobārstniecības attīstības līmenis padara cilvēka acs subjektīvo rentgenogrāfiju novērtējumu par nepietiekamu. Kā izrādījās, no rentgena attēlā redzamajiem pelēkajiem toņiem acs uztver tikai 64.
Acīmredzot, lai iegūtu skaidru un detalizētu dentoalveolārās sistēmas cieto audu attēlu ar minimālu starojuma iedarbību, ir nepieciešami citi risinājumi. Meklēšanas rezultātā tika izveidotas tā sauktās radiogrāfijas sistēmas, videogrāfi - digitālās radiogrāfijas sistēmas.
Bez tehniskām detaļām šādu sistēmu darbības princips ir šāds. Rentgena starojums caur objektu nonāk nevis uz gaismjutīgas plēves, bet gan uz speciāla intraorāla sensora (īpaša elektroniskā matrica). Atbilstošais signāls no matricas tiek pārsūtīts uz digitalizācijas ierīci (analog-to-digital converter, ADC), kas to pārvērš digitālā formā un ir savienots ar datoru. Speciāla programmatūra veido rentgena attēlu datora ekrānā un ļauj to apstrādāt, saglabāt cietā vai elastīgā datu nesējā (cietajā diskā, disketēs), izdrukāt kā attēlu kā failu.
Digitālajā sistēmā rentgena attēls ir punktu kopums ar dažādām digitālajām pelēktoņu vērtībām. Programmas nodrošinātā informācijas displeja optimizācija ļauj iegūt optimālu kadru spilgtuma un kontrasta ziņā pie salīdzinoši zemas starojuma devas.
Mūsdienu sistēmās, ko izveidojuši, piemēram, uzņēmumi Trofeja (Francija) vai Šiks (ASV), veidojot rāmi, tiek izmantoti 4096 pelēkie toņi, ekspozīcijas laiks ir atkarīgs no pētāmā objekta un vidēji ir sekundes simtdaļas - desmitdaļas, starojuma iedarbības samazināšana attiecībā pret filmu - līdz 90% intraorālām sistēmām, līdz 70% panorāmas videogrāfiem.
Apstrādājot attēlus, videogrāfi atļauj:
1. Iegūstiet pozitīvus un negatīvus attēlus, viltus krāsu attēlus, reljefu attēlus.
2. Palieliniet kontrastu un palieliniet attēla interesējošo apgabalu.
3. Novērtēt zobu audu un kaulu struktūru blīvuma izmaiņas, kontrolēt kanālu pildījuma vienmērīgumu.
4. Iekš endodontija jebkura izliekuma kanāla garuma noteikšanai un ķirurģijā implanta izmēra izvēlei ar precizitāti 0,1 mm.
5. Unikāla sistēma kariesa detektors ar mākslīgā intelekta elementiem attēla analīzē ļauj atklāt kariesu traipu stadijā, sakņu kariesu un slēpto kariesu.
* « Ф" formulā (3) attiecas uz visu emitēto viļņu garumu diapazonu un bieži tiek saukta par "integrālo enerģijas plūsmu".
Rentgenstari ir augstas enerģijas elektromagnētiskā starojuma veids. To aktīvi izmanto dažādās medicīnas nozarēs.
Rentgenstari ir elektromagnētiskie viļņi, kuru fotonu enerģija elektromagnētisko viļņu skalā ir starp ultravioleto starojumu un gamma starojumu (no ~10 eV līdz ~1 MeV), kas atbilst viļņu garumiem no ~10^3 līdz ~10^-2 angstrēmiem ( no ~10^-7 līdz ~10^-12 m). Tas ir, tas ir nesalīdzināmi cietāks starojums nekā redzamā gaisma, kas šajā skalā atrodas starp ultravioletajiem un infrasarkanajiem ("termiskajiem") stariem.
Robeža starp rentgena stariem un gamma starojumu tiek izdalīta nosacīti: to diapazoni krustojas, gamma staru enerģija var būt 1 keV. Tie atšķiras pēc izcelsmes: gamma stari izstaro procesus, kas notiek atomu kodolos, bet rentgena stari notiek procesos, kuros iesaistīti elektroni (gan brīvie, gan tie, kas atrodas atomu elektronu apvalkos). Tajā pašā laikā no paša fotona nav iespējams noteikt, kura procesa laikā tas radās, tas ir, dalījums rentgena un gamma diapazonos lielā mērā ir patvaļīgs.
Rentgenstaru diapazons ir sadalīts "mīkstajos rentgenos" un "cietajos". Robeža starp tām atrodas 2 angstremu un 6 keV enerģijas viļņa garuma līmenī.
Rentgena ģenerators ir caurule, kurā tiek izveidots vakuums. Ir elektrodi - katods, kuram tiek uzlikts negatīvs lādiņš, un pozitīvi uzlādēts anods. Spriegums starp tiem ir no desmitiem līdz simtiem kilovoltu. Rentgenstaru fotonu ģenerēšana notiek, kad elektroni “nolaužas” no katoda un lielā ātrumā ietriecas anoda virsmā. Iegūto rentgena starojumu sauc par "bremsstrahlung", tā fotoniem ir dažādi viļņu garumi.
Tajā pašā laikā tiek ģenerēti raksturīgā spektra fotoni. Daļa anoda vielas atomos esošo elektronu tiek ierosināti, tas ir, nokļūst augstākās orbītās un pēc tam atgriežas normālā stāvoklī, izstarojot noteikta viļņa garuma fotonus. Abu veidu rentgenstari tiek ražoti standarta ģeneratorā.
Atklājumu vēsture
1895. gada 8. novembrī vācu zinātnieks Vilhelms Konrāds Rentgens atklāja, ka dažas vielas "katodstaru", tas ir, elektronu plūsmas, ko rada katodstaru lampas, ietekmē, sāk spīdēt. Viņš skaidroja šo parādību ar noteiktu rentgenstaru ietekmi - tāpēc (“rentgena stari”) šo starojumu tagad sauc daudzās valodās. Vēlāk V.K. Rentgens pētīja fenomenu, ko viņš bija atklājis. 1895. gada 22. decembrī viņš Vircburgas Universitātē nolasīja lekciju par šo tēmu.
Vēlāk izrādījās, ka rentgena starojums ir novērots arī iepriekš, taču tad ar to saistītajām parādībām netika piešķirta liela nozīme. Katodstaru lampa tika izgudrota jau sen, bet pirms V.K. Rentgens, neviens īpaši nepievērsa uzmanību fotoplāksnīšu melnēšanai pie tā utt. parādības. Arī caurlaidīgā starojuma radītās briesmas nebija zināmas.
Veidi un to ietekme uz organismu
"Rentgens" ir maigākais caurlaidīgā starojuma veids. Pārmērīga mīksto rentgena staru iedarbība ir līdzīga ultravioletā starojuma iedarbībai, bet smagākā formā. Uz ādas veidojas apdegums, bet bojājums ir dziļāks, un tas dziedē daudz lēnāk.
Cietais rentgens ir pilnvērtīgs jonizējošais starojums, kas var izraisīt staru slimību. Rentgena kvanti var salauzt olbaltumvielu molekulas, kas veido cilvēka ķermeņa audus, kā arī genoma DNS molekulas. Bet pat tad, ja rentgena kvants salauž ūdens molekulu, tam nav nozīmes: veidojas ķīmiski aktīvi brīvie radikāļi H un OH, kas paši spēj iedarboties uz olbaltumvielām un DNS. Radiācijas slimība norit smagākā formā, jo vairāk tiek ietekmēti asinsrades orgāni.
Rentgena stariem ir mutagēna un kancerogēna aktivitāte. Tas nozīmē, ka apstarošanas laikā palielinās spontānu mutāciju iespējamība šūnās, un dažreiz veselās šūnas var deģenerēties par vēža šūnām. Ļaundabīgo audzēju iespējamības palielināšana ir jebkuras iedarbības, tostarp rentgenstaru, standarta sekas. Rentgenstari ir vismazāk bīstamais caurlaidīgā starojuma veids, taču tie joprojām var būt bīstami.
Rentgena starojums: pielietojums un kā tas darbojas
Rentgena starojumu izmanto medicīnā, kā arī citās cilvēka darbības jomās.
Fluoroskopija un datortomogrāfija
Visizplatītākā rentgenstaru izmantošana ir fluoroskopija. Cilvēka ķermeņa "klusums" ļauj iegūt detalizētu attēlu gan kaulos (tie ir visskaidrāk redzami), gan iekšējo orgānu attēlus.
Ķermeņa audu dažāda caurspīdīgums rentgena staros ir saistīta ar to ķīmisko sastāvu. Kaulu struktūras iezīmes ir tādas, ka tie satur daudz kalcija un fosfora. Citi audi sastāv galvenokārt no oglekļa, ūdeņraža, skābekļa un slāpekļa. Fosfora atoms ir gandrīz divas reizes smagāks par skābekļa atomu, bet kalcija atoms ir 2,5 reizes (ogleklis, slāpeklis un ūdeņradis ir pat vieglāki par skābekli). Šajā sakarā rentgena fotonu absorbcija kaulos ir daudz lielāka.
Papildus divdimensiju "attēliem" rentgenogrāfija ļauj izveidot orgāna trīsdimensiju attēlu: šāda veida rentgenogrāfiju sauc par datortomogrāfiju. Šiem nolūkiem tiek izmantoti mīksti rentgena stari. Vienā attēlā saņemtās ekspozīcijas apjoms ir neliels: tas ir aptuveni vienāds ar ekspozīciju, kas iegūta 2 stundu lidojuma laikā lidmašīnā 10 km augstumā.
Rentgena defektu noteikšana ļauj atklāt nelielus izstrādājumu iekšējos defektus. Tam tiek izmantoti cietie rentgena stari, jo daudzi materiāli (piemēram, metāls) ir vāji “caurspīdīgi” to sastāvā esošās vielas lielās atommasas dēļ.
Rentgenstaru difrakcijas un rentgena fluorescences analīze
Rentgena stariem ir īpašības, kas ļauj detalizēti izpētīt atsevišķus atomus. Rentgenstaru difrakcijas analīze tiek aktīvi izmantota ķīmijā (arī bioķīmijā) un kristalogrāfijā. Tās darbības princips ir rentgenstaru difrakcijas izkliede ar kristālu vai kompleksu molekulu atomiem. Izmantojot rentgenstaru difrakcijas analīzi, tika noteikta DNS molekulas struktūra.
Rentgena fluorescences analīze ļauj ātri noteikt vielas ķīmisko sastāvu.
Ir daudz staru terapijas veidu, taču tie visi ietver jonizējošā starojuma izmantošanu. Staru terapiju iedala 2 veidos: korpuskulārā un viļņu. Korpuskulārā izmanto alfa daļiņu (hēlija atomu kodolu), beta daļiņu (elektronu), neitronu, protonu, smago jonu plūsmas. Vilnis izmanto elektromagnētiskā spektra starus - rentgenstarus un gamma.
Staru terapijas metodes galvenokārt tiek izmantotas onkoloģisko slimību ārstēšanā. Fakts ir tāds, ka starojums galvenokārt ietekmē šūnas, kas aktīvi dalās, tāpēc asinsrades orgāni cieš šādā veidā (to šūnas nepārtraukti dalās, ražojot arvien jaunas sarkanās asins šūnas). Vēža šūnas arī nepārtraukti dalās un ir neaizsargātākas pret starojumu nekā veseli audi.
Tiek izmantots tāds starojuma līmenis, kas nomāc vēža šūnu darbību, bet mēreni ietekmē veselās. Radiācijas ietekmē tā nav šūnu kā tādu iznīcināšana, bet gan to genoma – DNS molekulu bojājums. Šūna ar iznīcinātu genomu var pastāvēt kādu laiku, bet vairs nevar dalīties, tas ir, audzēja augšana apstājas.
Staru terapija ir vieglākais staru terapijas veids. Viļņu starojums ir mīkstāks par korpuskulāro starojumu, un rentgena starojums ir maigāks par gamma starojumu.
Grūtniecības laikā
Grūtniecības laikā ir bīstami lietot jonizējošo starojumu. Rentgenstari ir mutagēni un var izraisīt anomālijas auglim. Rentgena terapija nav savienojama ar grūtniecību: to var izmantot tikai tad, ja jau ir nolemts veikt abortu. Fluoroskopijas ierobežojumi ir maigāki, taču pirmajos mēnešos tā arī ir stingri aizliegta.
Ārkārtas gadījumā rentgena izmeklēšanu aizstāj ar magnētiskās rezonanses attēlveidošanu. Bet arī pirmajā trimestrī viņi cenšas no tā izvairīties (šī metode parādījās nesen, un ar absolūtu pārliecību var runāt par kaitīgu seku neesamību).
Nepārprotamas briesmas rodas, pakļaujot to kopējai dozai vismaz 1 mSv (vecajās vienībās - 100 mR). Ar vienkāršu rentgena staru (piemēram, veicot fluorogrāfiju) pacients saņem apmēram 50 reizes mazāk. Lai saņemtu šādu devu vienā reizē, ir jāiziet detalizēta datortomogrāfija.
Tas ir, 1-2 reizes lielāka “rentgena” pārbaude agrīnā grūtniecības stadijā nedraud ar nopietnām sekām (bet labāk ar to neriskēt).
Ārstēšana ar to
Rentgenstarus galvenokārt izmanto cīņā pret ļaundabīgiem audzējiem. Šī metode ir laba, jo tā ir ļoti efektīva: tā nogalina audzēju. Tas ir slikti, jo veseli audi nav daudz labāki, ir daudz blakusparādību. Īpaši apdraudēti ir hematopoēzes orgāni.
Praksē tiek izmantotas dažādas metodes, lai samazinātu rentgenstaru ietekmi uz veseliem audiem. Sijas ir vērstas leņķī tā, lai audzējs atrastos to krustošanās zonā (tādēļ galvenā enerģijas absorbcija notiek tieši tur). Dažreiz procedūru veic kustībā: pacienta ķermenis griežas attiecībā pret starojuma avotu ap asi, kas iet caur audzēju. Tajā pašā laikā veseli audi apstarošanas zonā atrodas tikai dažreiz, bet slimie - visu laiku.
Rentgena starus izmanto noteiktu artrožu un līdzīgu slimību, kā arī ādas slimību ārstēšanā. Šajā gadījumā sāpju sindroms samazinās par 50-90%. Tā kā šajā gadījumā izmantotais starojums ir maigāks, blakusparādības, kas līdzīgas tām, kas rodas audzēju ārstēšanā, netiek novērotas.